Il monitoraggio delle onde sismiche indotte dalle costruzioni

07-27 calibrazione - 07.10.2004 - 1
Per la rivista Quarry & Construction
Il monitoraggio delle onde sismiche indotte dalle costruzioni: strumentazione,
normative e stato dell’arte, affidabilità delle misure e calibrazioni
P. Ind. Luca Ferraglio - Nitrex Srl
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Premessa
Le attività estrattive ed i cantieri per le opere
pubbliche si sviluppano sempre di più a ridosso
dei comprensori abitati. Alcune attività lavorative
(abbattimento con esplosivi, impiego di martelli
demolitori, battipalo, vibrodine per infissione palancole, ecc.) producono vibrazioni che si propagano all’intorno. Spesso questo causa disagi e
lamentele che talvolta sfociano in contenziosi
anche giudiziari.
Diviene pertanto necessaria la preventiva adozione di accortezze per il contenimento delle vibrazioni entro valori di sicurezza per i manufatti e
di tollerabilità per le persone. Altrettanto indispensabile è il riscontro documentale del rispetto
delle condizioni di sicurezza a cui si è fatto riferimento in fase di progetto con riferimento alla
normativa ed allo stato dell’arte.
Le vibrazioni indotte all’intorno sono, ad oggi, la
causa prevalente delle lamentele ed il monitoraggio strumentale è la soluzione a questa problematica. Il monitoraggio strumentale, effettuato
in maniera continuativa, garantisce un riscontro,
inconfutabile, del costante rispetto dei valori di
sicurezza predefiniti e fornisce utili elementi di
confronto con le vibrazioni ambientali (terremoti,
traffico veicolare, ecc.).
La stazione di monitoraggio sismico-acustico
La stazione di monitoraggio è generalmente
composta da una unità di registrazione munita di
un geofono triassiale, per la misura della velocità
di vibrazione e di un microfono per la misura della sovrappressione aerea (foto 1).
Il geofono triassiale contiene tre trasduttori di velocità (velocimetri), uno per ogni singola componente x, y, z (orizzontale radiale, orizzontale trasversale e verticale). La misura può essere fatta
anche con altri tipi di trasduttore, ad esempio con
accelerometri oppure con estensimetri. Anche la
forma dell’involucro del geofono può variare, a
seconda del tipo d’impiego a cui è destinato, es.
cilindrico per essere calato in un foro da mina,
cubico per le misure in campagna ecc..
I trasduttori di velocità consentono normalmente
la misura di velocità di vibrazioni sino a 0,1 mm/s
(0,00036 km/h), i modelli più sensibili arrivano a
misurare vibrazioni a 0,03 mm / s (tabella 1).
La misura della sovrappressione aerea ha una
grande utilità, soprattutto quando è necessaria la
verifica a posteriori della distanza a cui è stata
piazzata la stazione di monitoraggio. Tale verifica
può essere fatta con un calcolo a partire dalla differenza di tempo tra il primo arrivo sismico ed
acustico (fig. 2).
Come si utilizza la stazione di monitoraggio
sismico – acustico: riferimenti normativi e
stato dell’arte
La normativa UNI 9916 “Criteri di misura e valutazione degli effetti delle vibrazioni sugli edifici” e
la normativa DIN 4150-3 “Le vibrazioni nelle costruzioni, parte 3: effetti sui manufatti”, sono quelle prevalentemente usate dagli specialisti del settore in Italia. Queste impongono di effettuare il
monitoraggio strumentale all’interno del manufatto più prossimo, al livello delle fondazioni nel
punto più vicino al punto di origine della vibrazione.
In caso non fosse possibile installare la stazione
di monitoraggio all’interno del manufatto più
prossimo, è comunque possibile calcolare il valore di velocità di vibrazione indotto in esso, misurando la vibrazione in prossimità del manufatto e
calcolando una curva di decadimento del sito.
Affidabilità della misura: caratterizzazione del
sistema di misura trasduttore-punto di misura
e calibrazione del trasduttore
La corretta impostazione della misura è fondamentale per l’affidabilità dei risultati. Il non corretto posizionamento del trasduttore altera la misura amplificando o attenuando il fenomeno fisico
misurato. Questo accade, ad esempio, ad un trasduttore piazzato su una soglia la quale al passaggio del transiente sismico indotto dai lavori di
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costruzione, entra in risonanza amplificando i valori realmente indotti.
Diviene così necessaria la caratterizzazione del
punto di misura ovvero la verifica che le frequenze di risonanza naturali del punto di misura non
siano confrontabili con quelle del transiente sismico indotto e, quindi, non amplifichino la misura per l’innesco di una risonanza. Un metodo
speditivo per la verifica della frequenza di risonanza naturale del punto di misura consiste nella
energizzazione con un impulso di frequenza elevatissima, ad esempio come quello prodotto
dall’impatto di un cilindro d’acciaio tozzo. La
scomposizione del transiente sismico nelle componenti armoniche elementari (analisi di Fourier)
consentirà d’individuare, con un buon margine
d’approssimazione, la frequenza predominante
del punto di misura (fig. 3).
Un altro errore nella misura potrebbe essere determinato dalla staratura del trasduttore. Il trasduttore trasforma in corrente elettrica il fenomeno fisico che misura. La corrente elettrica prodotta è proporzionale all’ampiezza del fenomeno
misurato, con una proporzionalità predefinita dal
costruttore. Per il prolungato esercizio possono
prodursi microassestamenti delle componenti
meccaniche, sia per sollecitazioni meccaniche
che termiche. La corrente prodotta potrebbe così
non essere più proporzionale (secondo lo standard del costruttore) al fenomeno fisico misurato
così che la misura data non è veritiera. Talvolta
si rilevano scostamenti tra il valore misurato e
quello reale, pari al 20% in più o in meno.
Diviene così necessario il periodico riscontro della “taratura”, ovvero della corrispondenza della
corrente prodotta alla ampiezza del fenomeno
fisico misurato, entro le tolleranze previste dal
costruttore. Per tarare il sistema di misura si interviene nell’elettronica di condizionamento del
segnale del trasduttore. Per garantire l’affidabilità
della misura effettuata con una stazione di monitoraggio questa va dunque calibrata regolarmente.
La normativa americana fissa un intervallo di calibrazione annuale. Alcuni progetti specifici, la
dove i trasduttori sono sottoposti ad intenso
stress o devono registrare in modo continuativo
richiedono addirittura che le stazioni di monitoraggio siano calibrate ogni tre o sei mesi.
È fondamentale non sottovalutare la importanza
della calibrazione; in fase di contenzioso la mancanza di regolare calibrazione viene sistematicamente contestata, anche da chi non ha specifiche competenze tecniche, semplicemente con
riferimento ad altre discipline della metrologia
dove la calibrazione della strumentazione di misura viene imposta anche a livello normativo.
Lo scopo della calibrazione è accertare che lo
strumento stia lavorando in modo corretto e che
misuri con la maggiore precisione possibile la velocità di vibrazione del terreno e la sovrappressione aerea.
I centri di calibrazione autorizzati dispongono
degli schemi elettrici del circuito di condizionamento del segnale, così che una volta riscontrata
l’anomalia di trasduzione, possono intervenire
per correggere l’errore sulla misura. Proprio per
questo motivo la calibrazione va effettuata da
centri dai calibrazione autorizzati (SIT) o dal costruttore dell’apparecchiatura stesso.
Le stazioni di monitoraggio sono progettate per
essere utilizzate in ambienti “ostili” (come possono essere le cave o i cantieri in genere), ma rimangono dei dispositivi di controllo elettronico
specializzati, la cui manutenzione e calibrazione
divengono una parte importante dell’esercizio.
Alcuni strumenti portati in fase di calibrazione
dopo dieci anni d’uso non danno risultati soddisfacenti e, anche dopo lunghi test, non possono
essere riportati entro i valori di tolleranza imposti
dal costruttore; in questi casi si rende necessaria
la sostituzione dei trasduttori.
Molti costruttori ed i loro centri di calibrazione autorizzati effettuano aggiornamenti e manutenzione preventiva sugli strumenti a chi calibra con
regolarità la propria stazione di monitoraggio. Gli
aggiornamenti includono spesso sia migliorie
hardware che software ed il loro risultato è
l’aumento delle funzionalità dell'apparecchiatura.
La calibrazione dei trasduttori
Durante il processo di calibrazione, il geofono
viene fissato ad una tavola vibrante munita di un
sensore di riferimento, anch’esso regolarmente
calibrato (foto 3). La tavola vibrante è una macchina capace di vibrare a velocità ed a frequenze
specifiche, con questa è possibile “eccitare” i geofoni a frequenze sinusoidali ad ampiezze predefinite.
A questo punto i trasduttori vengono controllati
per verificare la corrispondenza tra il fenomeno
fisico misurato (velocità di vibrazione) e la tensione prodotta, come stabilito dal costruttore. I
valori misurati sono registrati come riferimento di
zero per la calibrazione. In questo modo è pure
possibile dimostrare la precisione delle misure
effettuate in precedenza, o comunque di quantificarne l’eventuale errore.
Nel caso in cui i limiti di tolleranza nella precisione della risposta del trasduttore dovessero esse-
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re superati diviene necessario l’intervento
sull’elettronica di condizionamento del segnale
per il riallineamento al valore imposto dal costruttore (Foto 5). Tale controllo viene ripetuto su procedura fornita dal costruttore a diverse frequenze
sinusoidali di oscillazione.
quando ne vengono sostituiti i trasduttori (con
modelli compatibili).
I microfoni sono calibrati in modo analogo. Sono
esposti a sorgenti sonore a frequenze ed a livelli
di sovrappressione aerea specifici per constatarne la calibrazione iniziale e, successivamente
regolati con l’ausilio di un altro microfono di riferimento.
UNI 9916 CRITERI DI MISURA E VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELLE VIBRAZIONI SUGLI
EDIFICI.
Per accertare la conformità della misura ai parametri del costruttore, è importante che tutti i sensori siano verificati per più di una frequenza, all'interno della loro range di funzionamento (una
procedura standard prevede il controllo per frequenze di 2, 5, 10 e 30 Hz).
ISO 10012-1 Measurement management Systems - requirements for measurement processes
and measuring equipment
Alcune stazioni di monitoraggio sono munite di
geofono e di microfono interni all’unità di registrazione. Questo costituisce una limitazione in
quanto i sensori non possono essere sostituiti
con altri, anche se di uguale modello e stessa
casa di produzione, senza una fisiologica diminuzione dell’esattezza della misura.
Dowding C.; BLAST VIBRATION MONITORING
AND CONTROL; Prentice-Hall Inc. Englewood
Cliffs, NJ 07632, 1985.
In generale le stazioni di monitoraggio hanno il
geofono ed il microfono esterni all’unità di registrazione che possono dunque essere calibrati
indipendentemente. Questo tipo di stazione di
monitoraggio mantiene la propria precisione
Riferimenti normativi
Din 4150-3 VIBRAZIONI NELLE COSTRUZIONI,
PARTE 3: EFFETTI SUI MANUFATTI.
Riferimenti bibliografici
Harris C., SHOCK AND VIBRATION HANDBOOK, Mc Graw-Hill, 1995.
Mark S. Stagg, Alvin J. Engler; MEASUREMENT
OF BLAST-INDUCTED GROUND VIBRATIONS
AND SEISMOGRAPH CALIBRATION ; United
States Department of the Interior - Bureau of
Mines, Report of Investigations 8506.
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Foto 1. Stazione per il monitoraggio strumentale delle onde sismiche e dell’onda di sovrappressione aerea
indotta da attività estrattive e lavori pubblici.
Tabella 1 – Dati tecnici caratteristici tipici delle stazioni di monitoraggio sismico.
Canali di registrazione
Risposta in frequenza
Trasduttore sismico
Trasduttore sovrappressione aerea
Memoria
Orologio
Temperatura di funzionamento
Contenitore
Dati sulla forma d’onda
Sommario dei dati
Frequenza di campionamento
Fondoscala di registrazione sismica
Fondoscala di registrazione acustica
Sensibilità
Livelli di allarme sismico (trigger)
Livelli di allarme acustico (trigger)
Durata massima di registrazione
Quattro (4), di cui tre (3) sismici ed uno (1) aereo
Da 2 a 200 Hz a 1024 campioni/secondo.
Filtraggio antialiasing (per applicazioni particolari può essere necessario avere
una config.zione con risposta in frequenza sino ad 1 Hz).
Errore massimo del 2% per frequenze superiori a 30 Hz e del 3% per frequenze inferiori a 30 Hz.
velocimetro triassiale (componente verticale, orizzontale longitudinale ed orizzontale trasversale)
risposta lineare sino a 150 dB
Con batteria di backup per la memorizzazione del sommario degli eventi, delle
impostazioni e delle registrazioni nel caso in cui dovesse venire a mancare
l’alimentazione elettrica principale.
A 24 ore e tolleranza di 2 minuti al mese anche nel caso in cui dovesse venire
a mancare l’alimentazione elettrica principale.
–15°C ed 50°C.
Tale da garantire un efficace isolamento elettrico, ottimale protezione dalla
ruggine e dagli agenti atmosferici.
Registrazione della forma d’onda completa per almeno 100 eventi.
Il sommario dei dati registrati deve contenere l’ora di registrazione dell’evento,
la data, il livello di carica della batteria, i valori massimi rilevati, le frequenze
associate e la matricola della stazione di monitoraggio.
Almeno 500 campioni per secondo, meglio se 1.000 campioni.
Almeno 50 mm/s
Almeno 148 dB.
Almeno 0,5 mm/s
Almeno 1,0 mm/s
Almeno 106 dB
Almeno 10 secondi
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Fig. 2 – Esempio di registrazione sismiche per volate con esplosivi a distanza dal punto di misura. La conoscenza dell’intervallo temporale tra primo arrivo sismico ed acustico è possibile risalire alla distanza tra
punto di scoppio della carica e punto di misura.
Punto di misura
Ra
Rs
Punto di scoppio
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Fig. 3 – Caratterizzazione del punto di misura (trasduttore montato su di una piastra tozza ammorsata alla
parete rocciosa. Oscillazione propria della piastra in direzione radiale. L’elevata frequenza di risonanza
propria del sistema trasduttore – punto di misura garantisce una interferenza non rilevante con gli eventi
sismici misurati (la cui frequenza predominante è stata intorno ai 50 Hz.)
Fig. 4 - Geofono fissato ad una tavola vibrante munita di un
sensore di riferimento, anch’esso regolarmente calibrato
Foto 5 – Intervento sull’elettronica di condizionamento del segnale per il riallineamento al valore imposto dal costruttore